CN102735348A - 一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，利用哈特波前传感器中阵列型光电探测器所探测到的光斑阵列图像，获得每个光斑的强度分布信息和相对于标定时的质心位置偏移量，根据质心偏移量，可求出对应子孔径内子波前的倾斜像差信息，再根据光斑的强度分布信息，用相位反演算法可以求出对应子孔径内子波前的离焦、象散等高阶像差信息，两者结合构成子波前，最终用波前重构方法或波面拼接方法将各个子波前重构成整个孔径波前信息；本发明将原本困扰光斑质心计算的光斑弥散分布信息加以利用，获得子孔径内子波前更多的信息量，使其有利于提高哈特曼波前传感器的波前探测精度或降低对子孔径数量的要求。
Description
技术领域
本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种测量入射光束波前的方法，尤其涉及一种新型的基于哈特曼波前传感器的波前测量方法。
背景技术
在自适应光学、光学检测、光电探测等应用领域，均需要测量光束的波前。尤其在自适应光学系统中，波前探测是自适应控制的一个重要前提，需要对波前信息进行快速测量，用于实时波前控制矫正。目前已经有许多种测量方法得到了实际应用，比如剪切干涉波前传感技术、哈特曼波前传感技术、曲率波前传感技术和相位反演法等。这些方法各自有其优缺点，被用于各种应用场合，其中哈特曼波前传感技术能同时测量两个方法的波前斜率，光能利用率较高；结构简单，可探测连续光或脉冲光，已经成为目前最流行、应用最广泛的波前传感技术。
典型的哈特曼波前传感器可以参见中国专利申请公开说明书(申请号98112210.8，公开号CN1245904)公开的一种光学波前传感器，其实现方式主要采用波前分割取样阵列元件如微透镜阵列，将波前分割成许多子孔径波前，并将入射的光分别汇聚到阵列型光电探测器上，一般采用CCD探测器或者CMOS探测器，阵列型光电探测器靶面上则形成一系列光斑阵列，通过各子光斑质心位置的计算处理获得所需波前相位测量数据。由于哈特曼波前传感器的广泛应用，提高哈特曼波前传感器波前测量精度已经成为一个研究热点。从结构上，可以通过适当增加子孔径数，增大对待测波面的采样率来提高测量精度；从信息探测上，可以使用高性能的阵列型光电探测器或者改进质心算法来提高质心的探测精度，参见“自适应系统中哈特曼波前传感器光斑质最佳标定位置”[马晓燠，郑翰清等.[J].光电工程，2009，36(4)]；从复原算法上，可以通过改进复原算法，寻找实际应用中最优复原模式等方法提高复原算法的精度，参见“哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差”[李新阳，姜文汉.[J].光学学报，2002，22(10)]。上述提高哈特曼波前传感器测量精度的方法均将各子孔径内的波前视为只含倾斜像差的一阶平面，这一前提限制了哈特曼波前传感器精度进一步提升的空间及其在高精度测量中的应用。
Shane Barwick提出的用一种像散混合波前传感器同时测量子孔径内波面一阶斜率和二次曲率，参见“Detecting higher-order wavefronterrors with an astigmatic hybrid wavefront sensor”[ShaneBarwick.[J].OPTICS LETTERS，2009，34(11)]，该方法要求微透镜中每个透镜均保留一定量的像散像差，且采用四象限探测器阵列探测光斑阵列，制造工艺复杂，难以实现，这限制了其推广与实际应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，突破了将哈特曼子孔径内波前视为一阶平面的思维定势，为此，本发明的目的是提供一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，将原本困扰光斑质心计算的光斑弥散信息充分利用，获取子孔径内波面的更多细节信息，进而使整个波前测量精度得到质的提升。
为实现所述目的，本发明提供一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，该方法基于普通哈特曼波前传感器的结构，其特征在于通过以下步骤实现波前测量：
步骤S1：用无像差理想平面光源对哈特曼波前传感器进行定标，得到无像差光波入射时阵列型光电探测器靶面上的远场光斑阵列图像作为定标基准图像，并计算定标基准图像上各个光斑质心的初始位置；
步骤S2：含有波前像差的待测光波入射到哈特曼波前传感器并在阵列型光电探测器靶面上形成远场光斑阵列图像，根据带波前像差光波入射条件下获取的远场光斑阵列图像，计算带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的质心位置相对于定标基准图像上各个光斑质心的初始位置的远场光斑的质心偏移量，并记录带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的光强分布信息；
步骤S3：利用远场光斑的质心偏移量，求出对应哈特曼波前传感器各子孔径内子波前的倾斜像差分量或一阶斜率信息；
步骤S4：利用远场光斑的光强分布信息，结合已测得的子波前的倾斜像差分量或一阶斜率，通过相位反演算法恢复各子孔径内波前多个细节信息，获得对应的哈特曼波前传感器子孔径内由倾斜、离焦等高阶像差分量构成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量组成的子波前；
步骤S5：用波前复原算法或是拼接方法将步骤S4中获得的各子孔径内子波前重构成整个全孔径待测光波的波前像差。
本发明与现有技术相比有如下优点：不再简单的将哈特曼波前传感器各子孔径内波前视为只含倾斜像差分量或是一阶平面，将哈特曼波前传感器技术与目前比较成熟的相位反演技术相结合，在哈特曼波前传感器中的阵列型光电探测器采集到光斑阵列图像后，计算各光斑质心偏移并记录各光斑的光强分布信息，使原本影响各子光斑质心探测精度的子光斑弥散分布信息得以利用，在利用光斑质心偏移量复原各个子孔径内波前的倾斜像差或是一阶斜率的同时根据各光斑的光强分布提取对应子孔径内子波前的更多细节信息，从而提高波前测量结果的精度；本发明大大缓解了哈特曼波前传感器的测量精度严重受限于子孔径排布密度的情况，与现有技术相比，能够在相同子孔径数下，进一步提高波前测量精度，或者即使在减少一定量的子孔径的情况下，也能保证一定的测量精度。本发明不改变哈特曼波前传感器的结构，充分利用哈特曼波前传感器系统的信息量，继承了其光能利用率高、可测连续或脉冲光等一系列优点，同时将困扰光斑质心探测的光斑弥散信息加以利用，能够有效提高波前测量精度，可被应用于高精度波前探测相关领域。
附图说明
图1为本发明的典型的哈特曼波前传感器装置示意图；
图2为本发明中哈特曼波前传感器工作时待测光波在阵列型光电探测器靶面上形成光斑阵列示意图；
图3为本发明的基于哈特曼波前传感器波前测量方法；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是基于哈特曼波前传感器波前测量方法的具体步骤包括：
步骤S1：用无像差理想平面光源对哈特曼波前传感器进行定标，得到无像差光波入射时阵列型光电探测器3(图2示出)靶面上的远场光斑阵列图像作为定标基准图像，并计算定标基准图像上各个光斑质心的初始位置；
步骤S2：含有波前像差的待测光波入射到哈特曼波前传感器并在其阵列型光电探测器3靶面上形成远场光斑阵列图像，根据带波前像差光波入射条件下获取的远场光斑阵列图像，计算带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的质心位置相对于定标基准图像上各个光斑质心的初始位置的远场光斑的质心偏移量，并记录带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的光强分布信息；
步骤S3：利用远场光斑的质心偏移量，求出对应哈特曼波前传感器各子孔径内子波前的倾斜像差分量或一阶斜率信息；
步骤S4：利用远场光斑的光强分布信息，结合已测得的子波前的倾斜像差分量或一阶斜率，通过相位反演算法恢复各子孔径内波前多个细节信息，获得对应的哈特曼波前传感器子孔径内由倾斜、离焦等高阶像差分量构成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量组成的子波前；
步骤S5：用波前拼接方法，以位于顶角位置(如左上角)的子孔径为起始，将步骤S4中获得的各子孔径内子波前依次首尾链接拼接，重构成整个全孔径待测光波的波前像差。
步骤S4中的相位反演算法要求只需单幅远场光强分布图像就能获得近场相位分布，所述相位反演算法可以是GS算法。GS算法步骤可概况为：
①先给定子孔径内的初始相位分布
为步骤S3求得的子孔径内倾斜像差分量，并假设子孔径内光波振幅分布|F(x，y)|为均匀常数，从而构成入射光波复振幅其中x、y分布表示子孔径所在空间横坐标和纵坐标；
表示以自然对数e为底的指数函数形式，其中j表述纯虚数，值为
②对En(x，y)作傅里叶变换得到Ef(u，v)＝g(u，v)*ejφ(u，v)，其中u、v分布表示远场空间横纵坐标；Ef(u，v)表示En(x，y)的傅里叶变换形式；g(u，v)表示Ef(u，v)中的整幅分布；φ(u，v)表示Ef(u，v)中的相位分布。
③用Ef(u，v)的相位分布部分φ(u，v)与获得的远场光斑光强分布根方值(即远处光波振幅)G(u，v)构成函数Ef′(u，v)＝G(u，v)*ejφ(u，v)；
④对Ef′(u，v)作傅里叶变换得到下一步迭代光波函数E′n(x，y)；重复以上步骤直至均方根SSE小于预先规定的精度控制指标ε：
SSE＝[∫∫(g(u，v)-G(u，v))2dudv]/[∫∫G(u，v)2dudv]＜ε。
此时得到的
即GS算法的输出相位值；其中∫∫[]dudv表示在u、v平面做二维积分，du表示u坐标方向上的无穷小量，dv表示v坐标方向上的无穷小量；求解精度控制指标ε为一个事先确定的常数，其越小则GS算法求解的准确性越高。
步骤S4中的子孔径内波前多个细节信息是从像差角度上看的较倾斜像差更高阶的像差信息，所述像差信息是离焦、像散、慧差和球差信息，或是从空间曲面角度上看的较一阶斜率更高次的曲率信息，所述曲率信息是二次曲率、三次曲率和四次曲率信息。
用单幅远场子光斑光强分布图像复原近场子孔径内子波前相位时所用的相位反演算法，是将近场子孔径内光波振幅为均匀分布作为反演计算的前提条件。
如图2所示，典型的哈特曼波前传感器，主要由缩束系统1、微透镜阵列2和阵列型光电探测器3为CMOS探测器组成，其中缩束系统1由两个焦距和口径均不同的凸透镜共轴放置构成，焦距长口径大的凸透镜在前，焦距短口径小的凸透镜在后，前一个透镜的后焦面与后一个透镜的前焦面重合，缩束系统1主要将入射光束的尺寸缩小到与微透镜阵列2口径匹配，即缩束后光束的尺寸小于微透镜阵列2的口径，微透镜阵列2由16×16个微透镜排列构成，置于缩束系统1之后，每个微透镜将光波分割并分别聚焦到位于其焦面的阵列型光电探测器3为CMOS探测器上，因此入射平行光在通过缩束系统1并经过微透镜阵列2之后，成像在阵列型光电探测器3为CMOS探测器的靶面上形成光斑阵列图像，如图3所示，其中每一个光斑并非一个光点，均带有一定量的弥散分布信息。本方法利用上述哈特曼波前传感器中阵列型光电探测器3为CMOS探测器获取的光斑阵列图像，计算各光斑质心偏移并记录各光斑的光强分布信息，哈特曼波前传感器每个子孔径内波前不再被视为只含倾斜像差的平面，在利用光斑质心偏移量复原各个子孔径内波前的倾斜像差或是一阶斜率的同时根据各光斑的光强分布提取对应子孔径内子波前的更多细节信息，进而提高波前测量结果的精度。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (4)
1.一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，通过以下步骤实现：
步骤S1：用无像差理想平面光源对哈特曼波前传感器进行定标，得到无像差光波入射时阵列型光电探测器靶面上的远场光斑阵列图像作为定标基准图像，并计算定标基准图像上各个光斑质心的初始位置；
步骤S2：含有波前像差的待测光波入射到哈特曼波前传感器并在阵列型光电探测器靶面上形成远场光斑阵列图像，根据带波前像差光波入射条件下获取的远场光斑阵列图像，计算带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的质心位置相对于定标基准图像上各个光斑质心的初始位置的远场光斑的质心偏移量，并记录带波前像差光波入射条件下获取的各个远场光斑的光强分布信息；
步骤S3：利用远场光斑的质心偏移量，求出对应哈特曼波前传感器各子孔径内子波前的倾斜像差分量或一阶斜率信息；
步骤S4：利用远场光斑的光强分布信息，结合已测得的子波前的倾斜像差分量或一阶斜率，通过相位反演算法恢复各子孔径内波前多个细节信息，获得对应的哈特曼波前传感器子孔径内由倾斜、离焦等高阶像差分量构成的或是由一次平面、二次曲面等高次曲面分量组成的子波前；
步骤S5：用波前复原算法或是拼接方法将步骤S4中获得的各子孔径内子波前重构成整个全孔径待测光波的波前像差。
2.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，其特征在于：所述步骤S4中的相位反演算法要求只需单幅远场光强分布图像就能获得近场相位分布，所述相位反演算法是GS算法。
3.根据权利要求1所述的基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，其特征在于：所述步骤S4中的子孔径内波前多个细节信息是从像差角度上看的较倾斜像差更高阶的像差信息，所述像差信息是离焦、像散、慧差和球差信息，或是从空间曲面角度上看的较一阶斜率更高次的曲率信息，所述曲率信息是二次曲率、三次曲率和四次曲率信息。
4.根据权利要求2所述的基于哈特曼波前传感器的波前测量方法，其特征在于：用单幅远场子光斑光强分布图像复原近场子孔径内子波前相位时所用的相位反演算法，是将近场子孔径内光波振幅为均匀分布作为反演计算的前提条件。
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